MAX17793：高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的詳細解析

在電子設(shè)備的電源設(shè)計中，一款高性能的DC - DC轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天我們就來深入了解一下Analog Devices推出的MAX17793，這是一款3V至80V、3A的高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器。

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一、器件特性亮點

1. 尺寸與成本優(yōu)化

MAX17793采用同步操作，無需肖特基二極管，內(nèi)部集成了補償組件，支持全陶瓷電容，能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的布局，有效減小了方案的尺寸和成本。其輸出電壓范圍可在0.6V至輸入電壓的90%之間進行調(diào)節(jié)，并且開關(guān)頻率可在300kHz至1.5MHz之間調(diào)整，還支持外部時鐘同步，同時對稱的IN引腳有助于降低EMI。

2. 高效節(jié)能

該器件具有出色的效率表現(xiàn)，在輸入電壓 (V{IN}=48V) 、輸出電壓 (V{OUT}=5V) 時，峰值效率可達91%。通過開關(guān)頻率調(diào)制（SFM）模式，能夠增強輕載效率，還具備外部偏置輸入，可進一步提高效率。此外，它還支持管芯溫度監(jiān)測功能。

3. 可靠的工業(yè)應(yīng)用性能

MAX17793能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠運行，內(nèi)置打嗝模式過載保護和可編程軟啟動功能，通過RESET/TJ引腳可進行輸出電壓監(jiān)測，EN/UVLO閾值也可編程。同時，它符合CISPR32（EN55032）Class B傳導(dǎo)和輻射發(fā)射標準，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 150°C。

二、工作原理與功能

1. 基本工作模式

MAX17793是一款集成MOSFET的高效高壓同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為3V至80V，可提供高達3A的電流，輸出電壓范圍為0.6V至輸入電壓的90%。它采用峰值電流模式控制架構(gòu)，內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器在內(nèi)部節(jié)點產(chǎn)生積分誤差電壓，通過PWM比較器、高端電流檢測放大器和斜率補償發(fā)生器來設(shè)置占空比。

2. 模式選擇與時鐘同步

MODE/SYNC引腳可用于將器件編程為強制脈沖寬度調(diào)制（PWM）或開關(guān)頻率調(diào)制（SFM）模式，并能將內(nèi)部時鐘與外部時鐘同步。當MODE/SYNC引腳電壓低于0.5V時，器件在所有負載下以恒定頻率PWM模式工作；當引腳開路（電壓高于1.3V）時，在輕載下以SFM模式工作。外部時鐘頻率需在1.1 x (f{sw}) 至1.4 x (f{sw}) 之間（ (f_{sw}) 為編程的開關(guān)頻率）。

3. PWM與SFM模式特點

• PWM模式：電感電流允許為負，能在所有負載下提供恒定頻率操作，適用于對開關(guān)頻率敏感的應(yīng)用，但輕載效率低于SFM模式。
• SFM模式：輕載時電感電流不連續(xù)，可降低輕載時的頻率，使器件進入休眠狀態(tài)以提高效率。當負載所需的電感峰值電流小于 (I{PK - SFM}) 且電感谷值電流連續(xù)32個開關(guān)周期達到零時，器件進入SFM模式；當負載所需的電感峰值電流超過 (I{PK - SFM}) 時，退出SFM模式。

4. 線性穩(wěn)壓器

MAX17793有兩個內(nèi)部低壓差線性穩(wěn)壓器IN - LDO和EXT - LDO，為INTVCC供電。IN - LDO由IN引腳供電，EXT - LDO由EXTVCC引腳供電。根據(jù)EXTVCC引腳電壓，只有其中一個線性穩(wěn)壓器工作。當EXTVCC引腳電壓大于2.3V時，在軟啟動時間結(jié)束時從IN - LDO切換到EXT - LDO，可降低片上功耗，提高效率。

5. 開關(guān)頻率設(shè)置

通過將電阻從RT引腳連接到SGND，可將器件的開關(guān)頻率編程為300kHz至1.5MHz。開關(guān)頻率 (f{sw}) 與連接在RT引腳的電阻 (R{RT}) 之間的關(guān)系為 (R{RT} cong frac{31914}{f{sw}} - 4.36) （ (R{RT}) 單位為kΩ， (f{sw}) 單位為kHz）。若RT引腳開路，默認開關(guān)頻率為400kHz。

6. 過流保護與打嗝模式

MAX17793提供強大的過流保護（OCP）方案，通過對電感電流的滯回控制來保護器件。當電感峰值電流超過內(nèi)部峰值電流限制5.3A時，高端MOSFET關(guān)斷，低端MOSFET導(dǎo)通；當電感電流降低2.36A時，低端MOSFET關(guān)斷，高端MOSFET導(dǎo)通。若軟啟動完成后FB節(jié)點電壓因故障降至0.36V以下，將激活打嗝模式，在此模式下，轉(zhuǎn)換器暫停開關(guān)操作130ms，超時后嘗試重新軟啟動。

7. RESET/TJ引腳功能

該引腳可用于監(jiān)測輸出電壓狀態(tài)或管芯溫度，但兩者不能同時使用。監(jiān)測輸出電壓時，需將開漏RESET/TJ輸出通過上拉電阻連接到偏置電源電壓；監(jiān)測管芯溫度時，將20kΩ電阻從RESET/TJ連接到SGND。

8. 預(yù)偏置輸出處理

當MAX17793啟動到預(yù)偏置輸出時，高端和低端開關(guān)保持關(guān)斷，直到SS引腳電壓超過反饋引腳電壓，MOSFET才開始切換，輸出電壓隨后平滑上升到目標值。

9. 熱關(guān)斷保護

當器件結(jié)溫超過 + 165oC時，片上熱傳感器將關(guān)閉器件，待結(jié)溫下降20°C后，器件通過軟啟動重新開啟。

三、應(yīng)用信息

1. 電容與電感選擇

• 輸入電容：輸入濾波電容可減少從電源汲取的峰值電流，降低輸入噪聲和電壓紋波。輸入電容的RMS電流要求為 (I{RMS}=I{OUT(MAX)} × frac{sqrt{(V{IN}-V{OUT}) × V{OUT}}}{V{IN}}) ，當 (V{IN}=2 × V{OUT}) 時， (I{RMS}) 達到最大值 (frac{I{OUT(MAX)}}{2}) 。建議選擇在RMS輸入電流下溫度上升小于 + 10°C的低ESR陶瓷電容，輸入電容值可通過 (C{IN}=frac{I{OUT(MAX)} × D × (1 - D)}{eta × f{SW} × Delta V{IN}}) 計算（其中 (D = V{OUT}/V{IN}) 為占空比， (f{SW}) 為開關(guān)頻率， (Delta V{IN}) 為允許的輸入電壓紋波， (eta) 為效率）。
• 電感：電感的關(guān)鍵參數(shù)包括電感值L、飽和電流 (I{SAT}) 和直流電阻 (R{DCR}) 。電感值可根據(jù) (L=frac{0.55 × V{OUT}}{f{SW}}) 計算（ (V{OUT}) 和 (f{sw}) 為標稱值， (f{sw}) 單位為Hz），應(yīng)選擇接近計算值、低損耗、直流電阻盡可能低的電感，且電感的飽和電流額定值應(yīng)足夠高，以確保在 (I{PEAK - LIMIT}) 以上才會飽和。
• 輸出電容：工業(yè)應(yīng)用中首選X7R陶瓷輸出電容，其輸出電容通常根據(jù)支持40%最大輸出電流的階躍負載來選擇，使輸出電壓偏差控制在輸出電壓的3%以內(nèi)。最小所需輸出電容可通過 (C{OUT1}=frac{1}{2} × frac{I{STEP} × t{RESPONSE}}{Delta V{OUT}}) 計算（ (t{RESPONSE} cong frac{0.35}{f{C}}) ， (I{STEP}) 為負載電流階躍， (f{C}) 為目標閉環(huán)交叉頻率）。在SFM模式下，滿足特定負載下輸出電壓紋波規(guī)格所需的最小輸出電容為 (C{OUT2}=frac{1}{2} × frac{L{SEL} × (I{PK - SFM}-I{O})^{2}}{Delta V{OUT - RIPPLE}} × (frac{1}{V{IN}-V{OUT}}+frac{1}{V{OUT}})) （ (I{O}) 小于等于 (I{PK - SFM}) 的一半），最終輸出電容應(yīng)選擇 (C{OUT1}) 和 (C{OUT2}) 中的較大值。

2. 軟啟動電容選擇

MAX17793通過將電容從SS引腳連接到SGND來實現(xiàn)可調(diào)軟啟動操作，以減少浪涌電流。最小所需軟啟動電容 (C{SS} geq 33 × 10^{-6} × C{OUTSEL} × V{OUT}) （ (C_{OUTSEL}) 和 (C{SS}) 單位為法拉），軟啟動時間 (t{SS}=frac{C{SS}}{8.33 × 10^{-6}}) （ (C{SS}) 單位為法拉， (t{SS}) 單位為秒）。

3. 輸入欠壓鎖定設(shè)置

可通過連接從 (V{IN}) 到SGND的電阻分壓器來設(shè)置器件開啟的電壓，將分壓器的中心節(jié)點連接到EN/UVLO引腳。建議 (V{INU}) 高于0.8 x (V_{OUT}) ，以避免在緩慢上電或下電時出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。若EN/UVLO引腳由外部信號源驅(qū)動，建議在信號源輸出引腳和EN/UVLO引腳之間放置至少1kΩ的串聯(lián)電阻，以減少線路上的電壓振鈴。

4. 輸出電壓調(diào)整

通過連接從輸出電壓節(jié)點 (V{OUT}) 到SGND的電阻分壓器來設(shè)置輸出電壓，將分壓器的中心節(jié)點連接到FB引腳。電阻 (R{FBTOP}) 可通過 (R{FBTOP}=frac{200}{f{C} × C_{OUTSEL}}) 計算（ (f{C}) 為交叉頻率， (C_{OUTSEL}) 為所選輸出電容在直流偏置電壓下的實際電容值），電阻 (R{FBBOT}) 可通過 (R{FBBOT}=frac{R{FBTOP} × 0.6}{V{OUT}-0.6}) 計算。在SFM模式或應(yīng)用中使用動態(tài)模式切換時，需在FB引腳兩端添加電容 (C{FF}) ，其電容值應(yīng)滿足 (frac{550}{R{FBTOP}} < C{FF} < frac{850}{R_{FB_TOP}}) 。

5. 功率損耗與溫度估算

在特定工作條件下，器件的功率損耗可通過 (P{LOSS}=P{OUT} × (frac{1}{eta}-1)-(I{OUT}^{2} × R{DCR})) 估算（ (P{OUT}=V{OUT} × I{OUT}) ， (P{OUT}) 為輸出功率， (eta) 為轉(zhuǎn)換器效率， (R{DCR}) 為電感的直流電阻）。若不使用管芯溫度監(jiān)測功能，可通過 (T{J}=T{AMB}+(theta{JA} × P{Loss})) 估算器件的管芯溫度（ (T{AMB}) 為最大環(huán)境溫度， (theta_{JA}) 為熱阻）。需要注意的是，結(jié)溫超過 + 125°C會降低器件的使用壽命。

6. PCB布局指南

PCB布局對MAX17793的性能至關(guān)重要。所有承載脈沖電流的走線應(yīng)盡可能短且寬，以減小電感和輻射EMI。信號地（SGND）和開關(guān)電流的功率地（PGND）應(yīng)分開。輸入電容應(yīng)靠近IN和PGND引腳放置，INTVCC電容靠近INTVCC引腳并連接到SGND平面，BST電容靠近BST和LX引腳，電感靠近LX引腳，輸出電容靠近電感的非開關(guān)側(cè)，RT電阻、SS電容和FB電阻應(yīng)靠近各自的引腳并連接到SGND平面。同時，應(yīng)在IN、PGND和LX引腳下方提供多個連接到大平面的熱過孔，以實現(xiàn)高效散熱。

四、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個典型應(yīng)用電路示例，包括5V輸出（400kHz和1.5MHz開關(guān)頻率）、3.3V輸出（375kHz開關(guān)頻率）和12V輸出（400kHz開關(guān)頻率）等不同情況，為工程師在實際設(shè)計中提供了參考。

綜上所述，MAX17793是一款功能強大、性能優(yōu)越的DC - DC轉(zhuǎn)換器，適用于工業(yè)、航空電子、重型設(shè)備、工廠和建筑自動化、電機控制以及通用電源等多種應(yīng)用場景。在設(shè)計過程中，工程師需根據(jù)具體需求合理選擇電容、電感等元件，并注意PCB布局，以充分發(fā)揮該器件的性能優(yōu)勢。大家在使用MAX17793進行設(shè)計時，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。